Titelaufnahme

Titel
Development of large area CsI photocathodes for the ALICE/HMPID RICH detector / Herbert Hödlmoser
VerfasserHödlmoser, Herbert
Begutachter / BegutachterinEisenmenger-Sittner, Christoph ; Fabjan, Christian W.
Erschienen2005
Umfang150 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2005
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (GND)Photokathode / Cäsiumiodid / Photoelektrizität / Čerenkov-Zähler
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-19288 Persistent Identifier (URN)
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Development of large area CsI photocathodes for the ALICE/HMPID RICH detector [8.35 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

The work carried out within the framework of this PhD deals with the measurement of the photoelectric properties of large area thin film Cesium Iodide photocathodes (PCs) which are to be used as a photon converter in a proximity focusing RICH detector for High Momentum Particle Identification (HMPID) in the ALICE experiment at the LHC. The objective was to commission a VUV-scanner setup for in-situ measurements of the photoelectric response of the CsI PCs and the use of this system to investigate the properties of these photon detectors. Among the investigated phenomena the most important ones were: - Post deposition treatment: from R&D studies it was known, that the PC response can be increased by heating the PC after the coating process. Within this thesis it was shown that the enhancement effect is mandatory to achieve the photon conversion efficiency required by the detector design and that any difference in PC quality is due to differences in this enhancement effect. - Ageing effects: CsI PCs age under exposure to humidity due to the hygroscopicity of CsI and under high photon flux and ion bombardement inside the Multi Wire Proportional Chamber (MWPC) of the detector. All three effects have been investigated with the VUV scanner. The first effect requires a careful treatment of the CsI PCs to avoid exposure to humid air. Furthermore this effect was found to be reversible if the PC is heated. High photon fluxes are irrelevant in a Cherenkov detector dealing with single photons, however the problem needed to be investigated to verify that the measurement process itself does not damage the PCs. The third mechanism is very important as it occurs during normal detector operation and depends only on the radiation environment of the experiment. For a dose corresponding to 20 years of operation inside ALICE an accelerated test showed a clear degradation of up to 40% of the PC response. With the results of these studies the first 17 PCs (of 42) for the detector were produced and analyzed in the VUV-scanner. The results were compared with an evaluation of the PCs inside the final detector modules using charged particle beams. The comparison of scanner and test beam results showed the reliability of the VUV-scanner system and the comparability of a high photon flux photocurrent measurement under vacuum with the single photon counting process in the detector.

Zusammenfassung (Englisch)

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden die photoelektrischen Eigenschaften von großflächigen Dünnschicht-Cesiumjodid-Photokathoden untersucht, die in einem Ring Imaging Cherenkov Detektor zur Abbildung der von geleadenen Teilchen erzeugten Cherenkov Lichtringe verwendet werden. Ein derartiges System ist im ALICE Experiment am CERN/LHC zur Identifizierung von Teilchen im Hochimpulsbereich vorgesehen. Die Aufgabe dieser Arbeit war zuerst die Kommissionierung einer Meßanlage zur ortsaufgelösten Messung des Photonenstroms der CsI Kathoden. In weiterer Folge sollte dieses System zur Untersuchung der folgenden charakteristischer Eigenschaften dieser Kathoden verwendet werden:

* Wärmebehandlung der Kathoden nach der Beschichtung: Aus vorangegangenen Forschungsarbeiten war bekannt, daß die Effizienz der Photokathoden nach der Beschichtung durch voruebergehende Temperaturerhöhung gesteigert werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, daß zum Erreichen der für den Detektor erforderlichen Quanten Effizienz die Wirksamkeit dieses Effekts unbedingt erforderlich ist.

Ausserdem konnte nachgewiesen werden, daß Variationen in der endgültigen Effizienz der Kathoden ausschließlich auf unterschiedliche Effektivität der Wärmebehandlung zurückzuführen sind. * Effizienzmindernde Effekte: Die Qualität von CsI Photokathoden nimmt sowohl durch Exposition an Luftfeuchtigkeit aufgrund der Hygroskopie des CsI, sowie unter hohen Photonen- und Ionenflußdichten ab. Alle drei Effekte wurden mithilfe der neu aufgebauten Meßanlage untersucht. Im ersten Fall konnte gezeigt werden, dass der Effekt reversibel ist, wenn die Kathode geheizt wird. Hohe Photonenflüsse mussten im Hinblick auf den Meßprozess selbst untersucht werden, da in der Meßanlage im vergleich zur Anwendung im Detektor ein wesentlich höherer Photonenfluß zur Erzeugung eines Photostroms verwendet wird. Der dritte qualitätsmindernde Mechanismus ist wichtig für den Betrieb des Detektors in einem Hochenergiephysik-Experiment, da hier durch das Strahlungsumfeld ständig Ionenströme in der Kammer erzeugt werden. In einem beschleunigten Bestrahlungstest an einem Detektor-Prototyp wurde für eine Dosis entsprechend der Belastung während 20 Jahren im ALICE Experiment, ein bis zu 40 prozentiger Effizienzverlußt gemessen. Mit den Resultaten dieser Studien wurden die Produktionsprozeduren für die 42 Photokathoden für den ALICE/RICH Detektor optimiert sowie die ersten 17 Kathoden hergestellt und in der Meßanlage analysiert. Der Vergleich von Daten aus Tests der Detektormodule in Pionen-Strahlen mit den Ergebnissen der Photostrommessungen zeigte die Verläßlichkeit der Meßanlage sowie die Vergleichbarkeit des Einzelphotonennachweises im Detektor mit Photostrommessungen im Vakuum unter Verwendung hoher Photonenflußdichten.